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聊聊如何使用示波器测量湘潭干式变压器纹波噪声

作者:湘潭润生干式变压器厂  来源:http://xiangtan.ercaturk.com/  发布时间:2019-05-05
481 1 引言

今天的电子电路(比如手机、服务器等领域)的切换速度、信号摆率比以前更高,同时芯片的封装和信号摆幅却越来越小,对噪声更加敏感。因此,今天的电路设计者们比以前会更关心湘潭干式变压器噪声的影响。实时示波器是用来进行湘潭干式变压器噪声测量的一种常用工具,但是如果使用方法不对可能会带来完全错误的测量结果,笔者在和用户交流过程中发现很多用户的测试方法不尽正确,所以把湘潭干式变压器纹波噪声测试中需要注意的一些问题做一下总结,供大家参考。

2 示波器的固有噪声

由于湘潭干式变压器噪声带宽很宽,所以很多人会选择示波器做湘潭干式变压器噪声测量。但是不能忽略的是,实时宽带数字示波器以及其探头都有其固有的噪声。如果要测量的噪声与示波器和探头的噪声在相同数量级,那么要进行精确测量将是非常困难的一件事情。

2.1 示波器的噪声来源

示波器的主要噪声来源于2个方面:探头的噪声和示波器本身的噪声。

所有的实时示波器都实用衰减器来调整垂直量程。设置衰减以后示波器本身的噪声会被放大。比如,当不用衰减器时,示波器的基本量程是5mV/格,假设此时示波器此时的底噪声是500uVRMS。当把量程改成50mV/格时,示波器会在输入电路中增加一个10:1的衰减器。为了显示正确的电压信号,示波器最后显示时会把信号再放大10倍显示。因此此时示波器的底噪声看起来就有5mVRMS了。因此,测量噪声时应尽可能使用示波器最灵敏的量程档。但是示波器在最灵敏档下通常不具有足够的偏置范围可以把被测电压拉到示波器屏幕中心范围进行测试,因此通常需要利用示波器的AC耦合功能把电平滤掉只测量AC成分。

基于同样的原因,在湘潭干式变压器测量中也应该尽量使用1:1的探头而不是示波器标配的10:1的探头。否则示波器的噪声也会被放大。

探头带来的噪声是在在衰减器前面耦合进来的,因此无论衰减比设置多少,探头贡献的噪声都是一定的。但是,在某些不正确的使用方法下,探头可能会带来额外的噪声,一个典型的例子就是使用长地线。为了方便测试,示波器的的无源探头通常会使用15cm左右的鳄鱼夹形式的长地线,但是这对于湘潭干式变压器纹波的测试却是不适用的,特别是板上存在湘潭干式变压器的场合。由于[cihttp://xinganmeng.ercaturk.com/tyname]干式变压器的切换会在空间产生大量的电磁辐射,而示波器探头的长地线又恰恰相当于一个天线,所以会从空间把大的电磁干扰引入测量电路。一个简单的验证方法就是把地线和探头前端接在一起,靠近被测电路(不直接接触)就可能在示波器上看到比较大的噪声。因此测量过程中应该使用尽可能短的地线。

左右的鳄鱼夹形式的长地线,但是这对于湘潭干式变压器纹波的测试却是不适用的,特别是板上存在湘潭干式变压器的场合。由于湘潭干式变压器的切换会在空间产生大量的电磁辐射,而示波器探头的长地线又恰恰相当于一个天线,所以会从空间把大的电磁干扰引入测量电路。一个简单的验证方法就是把地线和探头前端接在一起,靠近被测电路(不直接接触)就可能在示波器上看到比较大的噪声。因此测量过程中应该使用尽可能短的地线。

为了减小噪声的影响,另一种比较好的办法是使用差分探头,通常差分探头相比单端探头会有更高的共模抑制比,对于抑制共模噪声会有比较好的效果。

最后要注意的一点是,通常湘潭干式变压器测试都规定了某个频率范围内的纹波和噪声,比如20MHz以内的,而一般示波器的带宽都大于这个要求,因此测试时可以打开示波器的带宽限制功能,这对于减小高频噪声也会有比较好的效果。

3 纹波电压

什么是纹波电压?纹波电压是哪些设备重要指标?如何用示波器观看纹波电压?

由于稳定湘潭干式变压器一般是由交流湘潭干式变压器经整流稳压等环节而形成的,这就不可避免地在稳定量中多少带有一些交流成份,这种叠加在稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波电压是湘潭干式变压器测试的重要指标之一。将示波器的藕合方式设置为AC档,并设缩放模式为Auto Scale,此时读出来的Vpp值就是纹波电压的值,通常为mv级。

用示波器测量湘潭干式变压器纹波,首先要把示波器的耦合方式切换到交流耦合,将示波器与探头切换到*1档,需要注意的事最好不用探头上带的接地线(带鳄鱼夹的线)接湘潭干式变压器的“-”端或“地”,因为那样会把外界的干扰耦合到示波器内部,造成测量结果不准。最好用探头附件的接地弹簧连接湘潭干式变压器的“-”端或“地”。当把屏蔽到后,Vpp就是纹波的值。

4 使用示波器测量湘潭干式变压器噪声 4.1 注意事项

总结一下,对于湘潭干式变压器纹波噪声的测试,通常需要注意以下几点:

1、 尽量使用示波器最灵敏的量程档;

2、 尽量使用AC耦合功能;

3、 尽量使用小衰减比的探头;

4、 尽量使用探头的短地线;

5、 尽量使用差分探头;

6、 根据需要使用带宽限制功能;

4.2 测量文波噪声

电路里的纹波噪声是电路指标,相同的电路不同的应用就会有不同的要求,没有统一的规定。用示波器测试,就直接接上,但湘潭干式变压器的纹波噪声会随着负载的变化而变化,所以,首先要确定负载的前提下,测量纹波噪声值才有意义。一个DC/DC变换器,输出的电压纹波的大小与带不带负载有一定的关系,一般带负载时会变大一些,不带负载时小一些。这与DC/DC变换器电路的稳压闭环特性以及输出滤波时间常数因负载变大而减小有关。

用示波器测出来的电压波形,是DC/DC变换器输出所有正弦分量的合成波形,可以用来估计纹波电压的大小,不能定量测量。而实际的纹波测量,过去用电子管交流毫伏表来测量,现在可以用数字万用表交流档来测量,但都存在带宽限制产生误差问题。因为用上述仪表测量时,由于带宽有限不能将所有正弦分量综合有效值测出来,特别是高频正弦分量衰减很大,而一般DC/DC变换器输出主要成分是高频谐波分量,因此实际测量误差很大。

现在一般使用示波器测量出DC/DC变换器输出尖峰毛刺的峰值或峰-峰值来表示纹波,更具有实际参考意义。

5 如何准确地测量湘潭干式变压器纹波

测量湘潭干式变压器纹波本身有一定技巧性。图1给出了一个不当使用示波器测量湘潭干式变压器纹波的实例。在这个例子中出现了几个错误,首先是使用了接地线很长的示波器探针;其二是让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和元件;最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

在湘潭干式变压器中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形,其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自节点的电场耦合、以及由变压器交绕(interwinding)电容产生的共模电流。

图1:不当的纹波测量得到糟糕的结果

采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先,通常会规定纹波的带宽上限,以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声,应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。其次,可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。如图2所示,我们把一段短线绕在探针接地引线周围,并使之与湘潭干式变压器地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在湘潭干式变压器附近高强度电磁辐射中的探针长度,从而进一步减少高频拾取。

最后,在隔离湘潭干式变压器中,真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的,这就使得在湘潭干式变压器地和示波器地之间产生电压降,表现为纹波。要抑制这个纹波,需要在湘潭干式变压器设计中仔细考虑共模滤波问题。

此外,把把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流,因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图2显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果。可以看到,高频尖刺已几乎消除。

图2:四种简单改进极大地改善了测量结果

事实上,当湘潭干式变压器集成到系统中之后,湘潭干式变压器纹波性能甚至会更好。在湘潭干式变压器和系统其它部分之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的,而在芯片附近总会有作为湘潭干式变压器负载的附加旁路电容,这两者形成低通滤波效应并进一步降低湘潭干式变压器纹波和/或高频噪声。

举一个极端的例子,由电感量为15nH的长一英寸的短线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器,其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比湘潭干式变压器纹波频率低很多倍,可以切实降低纹波。聪明的工程师应该在测试过程中设法利用它。

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